渭河下游全新世古洪水滯流沉積物研究

王 娟，黃春長，龐獎勵，查小春，周亞利，張玉柱

（陜西師范大學 旅游與環(huán)境學院，陜西 西安710062）

在全球變暖的大背景下，隨著人類對流域生態(tài)環(huán)境破壞的不斷加劇，洪澇災害時有發(fā)生，對人類社會和人民生命財產(chǎn)安全造成了嚴重的威脅。渭河作為黃河的第一大支流，流域屬于大陸性半干旱—半濕潤氣候，夏秋季暴雨洪水災害，嚴重影響到關中地區(qū)的經(jīng)濟和社會發(fā)展［1］。掌握超長尺度暴雨和河流洪水發(fā)生規(guī)律，對于防治洪水災害有著十分重要的意義。國內外已有許多學者從沉積學、水文學等角度對全新世古洪水滯流沉積物做過研究，取得了一系列的重要成果［2－4］。美國學者 Baker V R［5］對于古洪水沉積物沉積學和水文學研究作出了重要貢獻。楊達源等［6］、詹道江等［7］在我國一些河流開展了古洪水水文學研究。黃春長等［8－10］在黃河中游系統(tǒng)地開展了古洪水沉積學、年代學和水文學研究，并且總結提出了全新世古洪水滯流沉積物的基本鑒別特征。本文主要通過對渭河下游全新世古洪水滯流沉積物與現(xiàn)代洪水滯流沉積的對比研究，深刻揭示渭河下游特大洪水滯流沉積物（SWD）的基本特征，渭河流域超長尺度洪水水文學研究、為水資源開發(fā)、防洪減災和水土流失的防治提供科學依據(jù)。

1 研究河段概況

渭河是黃河中游地區(qū)最重要的支流，其干流全長818 k m，流域面積1.35×106k m2。流域包括黃土高原和六盤山、子午嶺和秦嶺北坡等基巖山地，年平均氣溫6～14℃，年平均降水量450～700 mm。每年6—10月為汛期，多暴雨，降水強度大，渭河干流及其主要支流涇河、洛河均易形成洪水。渭河河源至寶雞峽出口為上游，河長為430 k m，河道狹窄，水流湍急，平均比降為1/260。寶雞峽至咸陽鐵橋為中游，河長180 k m，河床寬淺，沙洲較多，水流分散，比降由1/500逐漸變緩為1/1 500。咸陽鐵橋至潼關河口為下游，河長為208 k m，河道蜿蜒曲折，水流緩慢，淤積嚴重［11］。1956—2000年，渭河流域多年平均天然徑流量為1.00×1010m3，其中渭河干流林家村以上2.53×109m3，咸陽以上5.41×109m3，臨潼以上6.49×109m3，華縣以上8.81×109m3。林家村站多年平均流量為80.07 m3/s，咸陽站為176.30 m3/s，臨潼站為205.80 m3/s。渭河徑流年內分配不均勻，汛期7—10月份來水量約占全年的60%。渭河天然徑流量年際變化大，Cv值高達0.30～0.60，1964年最大年徑流量為2.18×1010m3，是1995年最小年徑流量4.30×109m3的5倍以上。歷史上渭河曾發(fā)生過多次大洪水，1898年（光緒24年），渭河特大洪水，咸陽和華縣站洪峰流量分別為11 600和11 500 m3/s。1911年涇河發(fā)生特大洪水，張家山站洪峰流量14 700 m3/s。1933年渭河洪水華縣站洪峰流量8 340 m3/s。1954年渭河洪水臨潼站最大洪峰流量7 660 m3/s。1981年8月洪水華縣站洪峰流量5 380 m3/s。2003年夏秋渭河下游相繼發(fā)生了6次長歷時、高水位、大洪量的洪水過程，咸陽站最大洪峰流量為5 170 m3/s，在渭河下游造成嚴重災害。2005年秋季渭河流域出現(xiàn)大范圍連續(xù)降雨，渭河干流和區(qū)間支流發(fā)生較大洪水，臨潼站以下洪水大漫灘，洪水演進速度緩慢，臨潼至華縣洪峰傳播時間長達42.3 h，華縣站洪峰流量為4 820 m3/s。渭河流域多年平均天然來沙量6.09×108m3，其中涇河3.06×108m3，北洛河1.06×108m3，干流咸陽站1.97×108m3。據(jù)1961—2005年資料統(tǒng)計，渭河流域咸陽站多年平均含沙量為26.8 kg/m3，華縣站為48.3 kg/m3，其中1965年咸陽站實測最大含沙量588 kg/m3，1977年華縣站最大含沙量為795 kg/m3，受到黃河倒灌頂托，渭河下游泥沙淤積嚴重，到2009年，渭河下游共淤積泥沙量為1.27×109m3［12－13］。

2 地層剖面與研究方法

我們對渭河下游進行了全面的野外考察，在渭河北岸臨潼陳東村段第一級階地全新世黃土土壤層序當中發(fā)現(xiàn)全新世古洪水滯流沉積物夾層（SWD）。該段渭河平水位河寬100～120 m，河槽寬度150～200 m，左岸為一級階地前沿陡坎，高程352～357 m，右岸為河漫灘堆積。

目前，由于渭河下游河床泥沙淤積抬升，一級階地面高出平水位只有8～10 m，階地二元結構沉積層被掩蓋，而階地頂面全新世風成黃土和土壤覆蓋層剖面地層完整，層次清晰。在野外詳細觀察其宏觀特征后，對該剖面進行了土壤學和沉積學描述和地層劃分（表1）。

表1 渭河下游陳東村全新世地層劃分及沉積學特征描述

就渭河下游陳東村剖面來看，其土壤地層學結構，與黃土高原全新世黃土土壤序列完全相同［14］。尤其是在剖面55—90 c m深度，發(fā)現(xiàn)一組3層全新世古洪水滯流沉積層。它們?yōu)轲ね临|地，堅硬致密，具有水平或者波狀層理，與風成黃土和古土壤區(qū)別顯著（圖1）。其層位恰好處于全新世晚期風成黃土（L0）與全新世中期褐色土（S0）的界限，利用OSL技術測年獲得的年齡值在3200—3000 a BP之間，與渭河上游固川鎮(zhèn)剖面全新世特大洪水SWD層位和年代完全相同［10］。確定它們是3200—3000 a BP渭河流域特大暴雨洪水的沉積物（圖2）。而這些洪水事件恰恰發(fā)生在全新世中期大暖期結束之際。當時洪水漫溢出河槽，第一級河流階地被淹沒，階地面形成了滯流環(huán)境，懸移質泥沙沉積在階地表面形成滯流沉積層，覆蓋了全新世中期古土壤（S0），洪水之后全新世晚期風成黃土（L0）堆積，將這一組SWD覆蓋埋藏而保存下來。

圖1 渭河陳東村剖面及其所夾古洪水滯流沉積層

圖2 渭河下游陳東村剖面與上游固川鎮(zhèn)剖面地層年代對比

在野外對陳東村全新世剖面的宏觀特征進行觀察分析和地層劃分的基礎上，從上向下以每5 c m連續(xù)采樣，共采集沉積學樣品50個。同時在河槽內對2010年夏季洪水的滯流沉積物進行采樣，以便作對比分析研究。

野外所采樣品經(jīng)室內風干，在驗室內對其進行了磁化率、燒失量、碳酸鈣和粒度成分的測定。樣品磁化率采用英國Bartington公司制造的MS－2型磁化率儀分別測定高頻和低頻磁化率，每個樣品測3次，取其平均值。燒失量測量采用燃燒失重法，先將研磨200目以下的土樣在烘箱105℃條件下烘干，取1 g（精確至0.000 1 g）樣品置于馬弗爐中，以550℃灼燒4 h，冷卻后精確稱重，計算各個樣品的損失率。Ca CO3含量采用荷蘭Eij kelkamp公司生產(chǎn)的Calcimeter測定。其原理為通過測量Ca CO3與鹽酸反應所產(chǎn)生的CO2體積，來計算出樣品中所含的CaCO3含量。粒度成分測定先用10%的H2O2和10%的HCl除去樣品中的有機質和碳酸鈣，再加入適量（NaPO3）6充分分散后，用英國生產(chǎn)的 Mastersizer－S型粒度儀進行測定。

3 分析結果與討論

磁化率可以反映土壤和沉積物中鐵磁性礦物的含量，通常用來揭示黃土地區(qū)風化成壤作用和氣候變化過程［15］（圖3）。

圖3 渭河下游陳東村全新世剖面磁化率曲線

從圖3可以看出，CDC剖面中低頻磁化率與高頻磁化率顯示出相同的變化趨勢，其最小值出現(xiàn)在馬蘭黃土層，最大值出現(xiàn)在古土壤層。頻率磁化率也可以反映由于氣候變化導致風化成壤強度的變化規(guī)律。渭河CDC剖面低頻磁化率變化范圍介于47.0×10－8～117.0×10－8m3/kg之間。堆積于末次冰期的馬蘭黃土（L1），磁化率較低，介于47.0×10－8～66.0×10－8m3/kg，均值為54.7×10－8m3/kg，表明其堆積時期氣候干旱寒冷，冬季風盛行，沙塵暴頻繁，黃土堆積之后很少受到風化成壤作用改造。全新世早期堆積的過渡性黃土（Lt），磁化率表現(xiàn)出增加的趨勢，表明該階段氣候逐漸變暖，降水量逐步增加。全新世中期古土壤（S0）磁化率較高，介于82.0×10－8～117.0×10－8m3/kg之間，均值為104.6×10－8m3/kg，表明古土壤形成時期氣候溫暖濕潤，降水量比較多，生物風化成壤作用強烈，淋溶和黏化作用強烈。全新世晚期堆積的近代黃土（L0）磁化率均值為85.1×10－8m3/kg，反映成壤強度減弱，氣候變得干旱。夾在古土壤（S0）與近代黃土（L0）之間的黏土質古洪水SWD，磁化率變化范圍在86.0×10－8～101.0×10－8m3/kg之間，均值為95.4×10－8m3/kg。渭河下游現(xiàn)代洪水SWD的磁化率值為50.7×10－8m3/kg。渭河全新世古洪水SWD來源于3200—3000 a BP特大洪水事件。由于當時人類活動影響輕微，流域植被覆蓋較好，暴雨洪水攜帶泥沙較少，顆粒較細，含鐵磁性礦物較多，故其磁化率比較高。在現(xiàn)代人類活動嚴重影響之下，渭河流域暴雨洪水攜帶粗顆粒泥沙豐富，鐵磁性礦物相對較少，故其磁化率較低。

燒失量反映的是土壤和沉積物中有機質（和結晶水）的含量，被用以揭示剖面風化成壤過程當中生物活動強度的變化和黏粒含量變化［16］。由表2可知，渭河CDC剖面古洪水SWD的燒失量均值為1.36%，高于馬蘭黃土（0.69%）和近代黃土（1.06%），低于全新世古土壤（1.54%）?，F(xiàn)代洪水SWD燒失量值低于古洪水SWD，僅為0.72%。說明古土壤中有機質含量最高，生物活動作用強。全新世古洪水SWD含有來自古表土的成分，故其磁化率較高，有機質和結晶水含量也較高。目前渭河流域廣泛的城鎮(zhèn)和新農(nóng)村工程、交通和水利工程建設開挖，水土流失導致洪水懸移質含有較多黃土成分，故現(xiàn)代洪水SWD顆粒粗大，有機質含量低，磁化率也很低，與馬蘭黃土相當。

表2 渭河下游陳東村全新世剖面磁化率、燒失量、CaCO3含量和黏粒/粉沙比值對比

土壤剖面Ca CO3含量對降水量和土壤水分變化比較敏感，能夠反映淋溶和淀積作用的強弱變化［17］。渭河下游CDC剖面全新世古土壤（S0）和馬蘭黃土（L1）CaCO3含量均值分別為7.92%和19.87%，說明在古土壤形成時期氣候溫暖濕潤，降水較多，淋溶作用強烈。馬蘭黃土形成時期氣候干旱，降水很少，淋溶作用微弱。全新世古洪水SWD的Ca CO3含量均值為11.19%，介于古土壤和馬蘭黃土之間，與現(xiàn)代洪水SWD的差別不大。

粒度分析可以揭示沉積物的性質、物質來源和搬運沉積的動力條件［18］。渭河下游CDC剖面粒度分析的結果（表3）顯示出全新世古洪水SWD以粉沙（2～63μm）為主，其含量高達91.03%。其中細粉沙（2～16μm）含量多達57.36%，粗粉沙（16～63μm）含量33.67%，其次為黏粒含量7.71%，細沙（63～125 μm）含量很少，僅為1.26%。由此可將古洪水SWD的性質確定為粉沙質亞黏土。近代黃土（L0）和馬蘭黃土（L1）均以粗粉沙成分為主，細粉沙次之，沉積學性質為粉沙。全新世中期古土壤（S0）的成分以細粉沙為主，粗粉沙次之，確定為黏土質粉沙。渭河現(xiàn)代洪水SWD樣品的粗粉沙含量高達63.56%，其性質為粉沙。

表3 渭河下游陳東村全新世剖面洪水滯流沉積物和黃土－古土壤粒度特征參數(shù)對比

各項粒度參數(shù)也反映出上述粒度成分特征。同時，古洪水SWD標準離差（σ）和分選系數(shù)（S）均值分別為1.51和1.06，兩指標都低于古土壤層、馬蘭黃土層和近代黃土層，表明其分選性較好，屬于河流懸移質沉積物?，F(xiàn)代洪水SWD的標準離差（σ）和分選系數(shù)（S）分別為1.43和0.74，其值小于古洪水SWD，表明其分選性最好，也屬于河流懸移質性質。峰態(tài)（Kg）反映粒度自然分布頻率曲線的尖銳程度。CDC剖面古洪水SWD、馬蘭黃土、近代黃土和古土壤的Kg值介于0.89～1.00之間，峰態(tài)為中等，現(xiàn)代洪水SWD的Kg值為1.46，峰態(tài)為尖窄型。偏度（SK）表示沉積物粒度自然分布頻率曲線的對稱程度，是偏態(tài)的定量描述。根據(jù)Fol k和War d提出的SK五級分類法，CDC剖面古洪水SWD、近代黃土、馬蘭黃土和古土壤均為正偏態(tài)；現(xiàn)代洪水SWD的SK值為0.38，屬于極正偏態(tài)，粒度集中在粗粉沙顆粒一側［19］。

沉積物的粒度分布特征還可以通過粒度自然分布頻率曲線直觀地體現(xiàn)出來。如圖4所示，風力堆積形成的馬蘭黃土（L1）、古土壤（S0）和近代黃土（L0）以粗粉沙為主，峰值出現(xiàn)在20～40μm，為偏態(tài)分布，其分選性比之古今洪水沉積略差。渭河CDC剖面古洪水SWD細粉沙含量最高，峰值出現(xiàn)在8～16μm，且接近正態(tài)分布。這表明在3200—3000 a BP古洪水發(fā)生的時期，渭河流域人類活動影響較少，水土流失輕微，河流懸移質泥沙含量較少，且比較細膩。相比較而言，渭河下游現(xiàn)代洪水SWD則以粗粉沙含量最多，峰值出現(xiàn)在30～40μm，為極正偏態(tài)，且主峰高而狹窄，顯示出良好的分選性。CDC剖面古洪水SWD粒度自然分布頻率曲線的形態(tài)與渭河上游固川鎮(zhèn)剖面記錄的全新世特大洪水SWD完全相同，更進一步證明它們是同一期古洪水事件的沉積物。

圖4 渭河下游陳東村全新世剖面粒度分布頻率對比曲線

研究表明，在渭河上游寶雞峽谷內的固川鎮(zhèn)，第一級階地剖面上部的黃土覆蓋層內同樣的層位，也保存著一組3層古洪水滯流沉積層。其基巖峽谷河槽斷面在長時期內都比較穩(wěn)定，有利于采用古水文學技術方法恢復古洪水洪峰水位，進而推求其洪峰流量。根據(jù)分析計算結果，確定渭河上游在3200—3000 a BP發(fā)生的洪水事件，洪峰流量在22 560～25 960 m3/s之間［10］。顯然，該期特大洪水到達渭河下游，在今陳東村附近溢出河槽，漫上了第一級河流階地，洪水懸移質泥沙沉積，覆蓋了階地面的全新世中期古土壤（S0）。在洪水之后，全新世晚期沙塵暴堆積形成近代黃土（L0），覆蓋了古洪水SWD，使其完好地保存下來，成為古洪水事件的可靠記錄。這個時期正好是全新世大暖期結束之際，氣候多變，干旱和特大暴雨洪水災害頻發(fā)。

4 結論

古洪水指的是全新世以來至可考證的歷史洪水期以前這一時段內發(fā)生的大洪水和特大洪水，故其涉及的時間尺度為10 000 a左右，在水文學領域屬于超長時間尺度。這些洪水事件的信息主要來自于洪水在高水位滯流情況之下懸移質泥沙沉積物記錄。所以古洪水水文學研究的前提就是要能夠通過廣泛的野外考察，從河谷全新世沉積物剖面找到古洪水滯流沉積層。由于各個河流流域內地形、地質、土壤、氣候和植被覆蓋條件的不同，以及暴雨區(qū)域和洪水流量、流速大小的差異，不同河流甚至同一河流的不同河段、不同時期的洪水，其滯流沉積物的性質特征都會有所不同。

我們通過在渭河下游普遍的野外考察，在臨潼縣境渭河北岸第一級階地頂面的風成黃土覆蓋層之中，發(fā)現(xiàn)了全新世特大古洪水事件的沉積層。通過野外詳細的觀察和室內實驗測試，OSL測年斷代，深入對比分析，揭示出渭河下游古洪水沉積物的基本特征。

（1）渭河下游一組3層古洪水滯流沉積物，出現(xiàn)在近代黃土（L0）與古土壤（S0）之間界面。在黃土高原地區(qū)的諸多剖面該界限年代被確定為3100 a BP［14，20］。這表明這些古洪水事件發(fā)生在距今3000 a前后，全新世中期大暖期向著晚期的干旱期轉折的時期。也就是我國歷史上商代的末期，在渭河流域則為先周時期。通過OSL測年斷代，和與渭河上游古洪水事件的對比，將其發(fā)生年代細化為3200—3000 a BP。這充分表明這一期古洪水事件與渭河上游固川鎮(zhèn)剖面記錄的古洪水事件發(fā)生時代相同，為渭河流域同一期特大暴雨洪水的客觀記錄。

（2）結合野外考察宏觀特征和沉積學分析數(shù)據(jù)，表明渭河下游全新世古洪水滯流沉積物的性質為粉沙質亞黏土，質地細膩，具有水平或波狀層理，塊狀結構，致密堅硬，破裂后顯示典型的貝殼狀斷口。其細粉沙和黏粒含量高，磁化率較低。它們與全新世時期覆蓋在階地表明的風成黃土和古土壤的結構、構造和成分，有著十分顯著的區(qū)別。

（3）渭河下游現(xiàn)代洪水沉積物的性質為細沙質粉沙，粗粉沙含量高，磁化率很低，與馬蘭黃土相當。顯示出渭河流域廣泛深刻的人類活動，尤其是各類工程建設，嚴重擾動了黃土地層，在暴雨發(fā)生時有嚴重的水土流失，河流洪水懸移質泥沙主要來源于黃土層。渭河下游古洪水與現(xiàn)代洪水滯流沉積物的性質差異，表明在3200—3000 a BP古洪水懸移質泥沙含量較低，且其顆粒比較細小，分選性較好，一次洪水懸移質泥沙沉積厚度在10 c m左右。而現(xiàn)代洪水懸移質泥沙含量大，且其顆粒也比較粗大，一次洪水懸移質沉積物厚度可達50～100 c m。但是由于其來源于黃土高原地區(qū)，長距離搬運分選，現(xiàn)代洪水滯流沉積物的分選性很好。

這個研究結果對于揭示全球變化的區(qū)域響應規(guī)律，對于渭河流域水資源開發(fā)、防洪減災和水土流失治理具有重要的科學意義。

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